技术领域
[0001] 本
发明涉及一种避免
燃料电池二次结冰冷启动失败的系统及控制方法，属于燃料电池冷启动技术领域。
背景技术
[0002] 随着工业发展，石油资源需求日益增多，有限的石油资源让各个行业不得不把目光放到新
能源上面，
汽车行业也不例外。
质子交换膜燃料电池在发电过程不涉及氢
氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，
能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模
块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音，所以被认为是一种清洁、高效的绿色环保电源。因此质子交换膜燃料电池是一种很有前景的能量转换装置，并能广泛应用于汽车、固定或便携式辅助电
力系统、潜艇和航天飞机等领域。但是在低温条件下，反应产生的
水可能会在催化层、气体扩散层及流道中结冰，堵塞气流通道并
覆盖催化层上的反应区域，最终导致燃料电池汽车的冷起动失败。为了提升质子交换膜燃料电池汽车的低温冷起动性能，有必要对其进行深入研究。低温下水结冰是质子交换膜燃料电池冷起动失败的主要原因。质子交换膜燃料电池内部结冰分为
阴极催化层、气体扩散层和流道结冰3种。催化层
温度低于0℃时，水分在催化层内部结冰；催化层温度高于0℃而气体扩散层温度低于0℃时，水在催化层中以液态存在并流出到气体扩散层中结冰；催化层和气体扩散层温度高于0℃，流道温度低于0℃时，液态水从催化
层流入到气体扩散层，再流入流道中结冰。通过研究质子交换膜燃料电池在不同温度下的冷起动过程发现:－10℃条件下，受离聚物水合作用和温升的影响，
电压迅速上升到峰值；之后由于催化层反应区域严重的冰堵塞，
电流缓慢下降直至冷起动失败；－7℃条件下，在反应区域被冰完全堵塞前，催化层的温度已经上升至0℃，此时已冻结的水分重新变回液态，流入到温度还低于0℃的气体扩散层和流道中结冰，造成阴极流场压力下降并导致燃料电池起动过程突然停止。
发明内容
[0003] 为了克服
现有技术的不足，本发明提供了一种避免燃料电池二次结冰冷启动失败的系统及控制方法，有效
预防了冷启动过程中由于氢气和氧气反应生成水再排出过程中由于环境低温在气体扩散层和流道中二次结冰最终导致燃料电池启动失败的问题，并且保证了燃料电池电堆性能平稳输出。
[0004] 为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案，一种避免燃料电池二次结冰冷启动失败的系统及控制方法的具体方案如下：包括燃料电池电堆6、温湿
传感器4、加热
加湿器3、三通
阀a2、空气
压缩机1、温度传感器7、气水分离器8、电动循环气
泵9、三通阀b10、储水箱
12、模糊
控制器16；
[0005] 燃料电池电堆6上有两个形成氧气循环回路的通道，第一个是氧气输送管路，氧气输送管路上依次设置三通阀a2、空气压缩机1；燃料电池电堆6的氧气进口和三通阀a2之间设有温湿传感器4、加热加湿器3；
[0006] 第二个是氧气排放通道，氧气排放通道上依次设置温度传感器7、气水分离器8、电动循环气泵9、三通阀b10；三通阀a2的一端和三通阀b10的一端相连；所述气水分离器8将出气通道的氧气、水分分开，其中氧气依次流经电动循环气泵9、三通阀b10的两端至排气口；其中水分流入到储水箱12中，气水分离器8和储水箱12之间设有流量计11；
[0007] 燃料电池电堆6上设有电池电压监测装置5，所述电池电压监测装置5通过电压监测装置控制
线束18和模糊控制器16相连，温湿传感器4通过温湿传感器控制线束17和模糊控制器16相连，温湿传感器4通过温度传感器控制线束19和模糊控制器16相连，加热加湿器3通过加热加湿器控制线束15和模糊控制器16相连，三通阀a2通过三通阀a控制线束13和模糊控制器16相连，流量计11通过流量计控制线束20和模糊控制器16相连，电动循环气泵通过电动循环气泵控制线束22和模糊控制器16相连，三通阀b10通过三通阀b控制线束24和模糊控制器16相连，
蓄电池14为模糊控制器16和电动循环气泵9供电。
[0008] 进一步，气水分离器8与燃料电池电堆6的氧气排放出口相连，同时在燃料电池电堆6的氧气排放出口处装有温度传感器7，用于检测燃料电池电堆6中排放水的温度，在水箱中入口装有流量计11监测燃料电池电堆6的产水量。
[0009] 进一步，气水分离器8与电动循环气泵9通过循环管路连接，将排出来的氧气通过电动循环气泵9在循环管路中流动，依靠电动循环气泵9的作用下，氧气将会在循环管路中产生流速；模糊控制器16通过电动循环气泵控制线束22控制电动循环气泵9进而控制流道里氧气的流动速度。
[0010] 进一步，电动循环气泵9的出口与三通阀b10的入口通过管路相连，并且三通阀b10的另外两个出口分别通过管路与三通阀a2和排气口相连，模糊控制器16通过线束控制三通阀a2、三通阀b10进而控制整个氧气回路的
开关。
[0011] 进一步，电压监测装置5则是安装在燃料电池的供电线路中，并且通过电压监测控制线束18将燃料电池电堆6的电压变化数据发送给模糊控制器16。
[0012] 进一步，包括以下步骤：
[0013] 步骤1，模糊控制器通过电压监测装置5监测到的电压变化，结合燃料电池电堆6尾端氧气出口的温度传感器7检测的排水温度判断燃料电池电堆内部是否有有结冰的可能性，若有，则模糊控制器控制氧气循环回路的三通阀a2、三通阀b10开启回路，电动循环气泵9打开促使氧气开始在回路中循环流动，同时，结合储水箱12前端的流量计11发送的数据判断燃料电池电堆6内部水含量，对氧气进行适当的增湿，并且根据模糊控
算法下燃料电池电堆内部结冰的可能性来控制电动循环气泵9的流速大小控制；
[0014] 步骤2，所述模糊控制算法以电压监测装置5监测的电压变化V和燃料电池电堆排水温度T为观测量，以燃料电池电堆结冰可能性X作为输出量，电动循环气泵9的转速n作为控制量；
[0015] 电压变化V被分为4个模糊集：正(P)，零(Z),负小(S1),负大(L1)；燃料电池电堆排水温度T被分为3个模糊集：较低温(S2)，中温(M1)，较高温(L2)；V的取值范围为[-1,a](a>0),T的取值范围为[0，3]；燃料电池电堆结冰可能性X为：0，小(S)，中(M)，大(L)；
[0016] 模糊控制算法的模糊规则为：
[0017] 10)若V为正，则X为0；
[0018] 11)若V为零且T为较低温，则X为小(S)；
[0019] 12)若V为零且T为中温或较高温。则X为0；
[0020] 13)若V为负小，T为较低温，则X为中(M)；
[0021] 14)若V为负小，T为中温，则X为小(S)；
[0022] 15)若V为负小，T为较高温，则X为0；
[0023] 16)若V为负大，T为较低温，则X为大(L)；
[0024] 17)若V为负大，T为中温，则X为大(L)；
[0025] 18)若V为负大，T为较高温，则X为中(M)；
[0026] 步骤3，在判断出燃料电池电堆内部结冰可能性之后，模糊控制器先控制三通阀的开关，在X为0时关闭整个氧气循环回路；在X为小的情况下开启回路，并且控制电动循环气泵9转速n处于较低的转速，并根据电压监测装置5和燃料电池电堆排水温度实时更改转速，[0027] 当符合模糊规则中X可能性为0时关闭电动循环气泵9和三通阀位于氧气循环回路中的端口；在X可能性为中时，控制电动循环气泵9转速为中，并且结合实时数据适当加大转速n避免燃料电池电堆6内部情况再次恶化，直到电压监测装置5和燃料电池电堆6排水温度符合模糊规则中X为0时关闭整个氧气循环回路，同时关闭电动循环气泵9；
[0028] 当X可能性为大时，电动循环气泵9以最大转速n工作，以最快的速度对燃料电池电堆6进行排水和热交换直到满足X为0的模糊规则，同时在开启电动循环气泵9后，储水箱12前的流量计11将统计进入储水箱12的排水量，通过模糊控制器适当的加大进气时氧气的湿度避免燃料电池电堆内部湿度不足导致燃料电池性能的下降，从而影响对燃料电池电堆内部结冰的可能性。
[0029] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0030] (1)本发明针对燃料电池电堆在低温环境启动后，电堆内部仍然存在温度不均匀的情况，避免了燃料电池电堆内部生成水在经过低温地区时二次结冰导致燃料电池起动后出现突然中断的情况；
[0031] (2)本发明采用模糊控制理论控制整个系统，能够根据监测到的数据快速做出反应，并且不需要依靠精确的数学模型，具有较好的适应性和容错性；
[0032] (3)本发明可以通过电压监测和燃料电池电堆排出水的温度等数据判断燃料电池电堆内部水的状态，通过对电动循环气泵的控制，可以快速有效的利用氧气循环回路将燃料电池电堆内部生成水迅速带出，让水在低温处不至于停留太久而结冰；
[0033] (4)本发明通过模糊控制器还可以在迅速排出生成水的过程中，利用对加热加湿器的控制对燃料电池电堆内部加湿加热，即避免由于水的快速排出导致燃料电池内部过于干燥而影响电池的性能，又可以利用氧气的快速循环加快燃料电池电堆的温升，降低了燃料电池电堆达到最佳
工作温度的时间，提高电池的性能。
附图说明
[0034] 图1为本发明
实施例提供的氧气循环结构
框图[0035] 图2为本发明实施例提供的控制系统框图
[0037] 其中：1-空气压缩机、2-三通阀a、3-加热加湿器、4-温湿传感器、5-电池电压监测装置、6-燃料电池电堆、7-温度传感器、8-气水分离器、9-电动循环气泵、10-三通阀b、11-流量计、12-储水箱、13-三通阀a控制线束、14-蓄电池、15-加热加湿器控制线束、16-模糊控制器、17-温湿传感器控制线束、18-电压监测装置控制线束、19-温度传感器控制线束、20-流量计控制线束、21-模糊控制器电源线束、22-电动循环气泵控制线束、23-电动循环气泵电源线束、24-三通阀b控制线束。
具体实施方式
[0038] 本发明实施例公开了一种避免燃料电池二次结冰冷启动失败的系统及控制方法，用于燃料电池低温冷启动，保证燃料电池在低温条件下能够安全完成冷启动。
[0039] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0040] 如图1图2所示，本发明实施例提供的一种避免燃料电池二次结冰冷启动失败的系统及控制方法包括有电气系统、加热系统，所述电气系统包括燃料电池电堆6、温湿传感器4、温湿传感器控制线束17、电压检测装置5、电压监测装置控制线束18、模糊控制器电源线束21、蓄电池14、加热加湿器控制线束15、三通阀控制线束a13、三通阀控制线束b24、电动循环气泵控制线束22、电动循环气泵电源线束23、模糊控制器16、流量计控制线束20、温度传感器7、温度传感器控制线束19，所述的加热系统包括空气压缩机1、三通阀a2、三通阀b10、加热加湿器3、气水分离器8、电动循环气泵9、流量计11、储水箱12。
[0041] 加热加湿器3位于氧气输送管路上，与燃料电池电堆6氧气进口相连，加热加湿器3同时与温湿传感器4相连，温湿传感器4与模糊控制器16通过温湿传感器控制线束17相连，将进口处氧气的温度和湿度数据传输到模糊控制器16上，同时，模糊控制器16的通过加热加湿器控制线束17来控制加热加湿器3对氧气加热的温度和加湿的湿度，蓄电池14通过模糊控制器电源线束21与模糊控制器16连接；(加热加湿器是否要与蓄电池连接)[0042] 气水分离器8与燃料电池电堆6的氧气排放出口相连，同时在燃料电池电堆6的氧气排放出口处装有一个温度传感器7，这个温度传感器7负责把从燃料电池电堆6中排放水的温度的数据发送给模糊控制器16，气水分离器8的作用是将从燃料电池电堆6中排放的氧气和水分离开的作用，气水分离器8的第一个出口与储水箱相连，将燃料电池电堆6产生水储存起来，在水箱中入口装有流量计11监测燃料电池电堆6的产水量，并将数据通过流量计控制线束20发送给模糊控制器16。
[0043] 同时气水分离器8与电动循环气泵9通过循环管路连接，将排出来的氧气通过电动循环气泵9在循环管路中流动，依靠电动循环气泵9的作用下，氧气将会在循环管路中产生流速，这样既可以加快燃料电池电堆6内部水的快速排出避免水在排出过程中由于
环境温度再次结冰，又可以加快燃料电池电堆6内部热交换使得燃料电池更快进入到安全的工作环境。
[0044] 同时，电动循环气泵9通过电动循环气泵控制线束22与模糊控制器16相连，模糊控制器16通过电动循环气泵控制线束22控制电动循环气泵9进而控制流道里氧气的流动速度。
[0045] 同时电动循环气泵9的出口与三通阀b10的入口通过管路相连，并且三通阀b10的另外两个出口分别通过管路与三通阀a2和排气口相连，三通阀a2分别连接空气压缩机1和加热加湿器3。两个三通阀通过三通阀控制线束a13、b24与模糊控制器16相连，模糊控制器16通过线束控制三通阀a2、b10进而控制整个氧气回路的开关。
[0046] 电压监测装置5则是安装在燃料电池的供电线路中，并且通过电压监测控制线束18将燃料电池电堆6的电压变化数据发送给模糊控制器16。
[0047] 如图3所示，本发明实施例提供的一种避免燃料电池二次结冰冷启动失败的系统及控制方法如下：
[0048] 在燃料电池冷启动之后，电压监测装置5将燃料电池电堆6的电压变化情况通过电压监测装置控制线束18发送给模糊控制器16，同时温度传感器7通过温度传感器控制线束19把燃料电池电堆6的排水温度数据传输的模糊控制器16上，模糊控制器16通过模糊控制规则判断燃料电池电堆6内部结冰的可能性，当可能性为0时，模糊控制器16不开启三通阀a2、b10，整个氧气循环回路处于关闭状态；当可能性不为0时，模糊控制器16通过三通阀控制线束b24打开三通阀b10与三通阀a2之间的管路，并关闭三通阀b10与排气口的管路；同时通过电动循环气泵控制线束22开启电动循环气泵9并结合燃料电池电堆6内部结冰的可能性大小控制电动循环气泵9的转速。
[0049] 上述对氧气循环回路进行实时控制，有效避免燃料电池电堆6内部结冰的方法为：模糊控制算法以电压监测装置5监测的电压变化V和燃料电池电堆6排水温度T为观测量，以燃料电池电堆6结冰可能性X作为输出量，电动循环气泵9的转速(即循环回路中氧气速度)n作为控制量；
[0050] 所述模糊控制器在PLC控制器内编程实现，包括有输入
接口、输出接口、控制变量计算模块和模糊量化处理模块；控制变量计算模块的输入端与输入接口电性连接，用于将输入
信号的精准值与给定值进行比较得到误差信号；模糊量化处理模块的输入端和输出端分别与控制变量计算模块的输出端和输出接口电性连接，用于对误差信号进行模糊量化处理，得到对应的模糊控制规则表。
[0051] 选择隶属度函数要求对控制器的控制性能影响越小越好，所以，采用容易处理的三
角函数作为隶属度函数。三角函数形状简单，计算工作量小，当输入值变化时，其具有更大的灵敏度。当存在较小的偏差时，就能迅速的产生相应的
控制信号。
[0052] 根据三角隶属函数确定控制量X的各模糊子集赋值，模糊控制算法的观测量V被分为4个模糊集：正(P)，零(Z),负小(S1),负大(L1)；观测量T被分为3个模糊集：较低温(S2)，中温(M)，较高温(L2)；V的取值范围为[-1,a](a>0),T的取值范围为[0，3]；
[0053] 模糊控制算法的模糊规则为：
[0054] 1)若V为正，则X为0；
[0055] 2)若V为零且T为较低温，则X为小(S)；
[0056] 3)若V为零且T为中温或较高温。则X为0；
[0057] 4)若V为负小，T为较低温，则X为中(M)；
[0058] 5)若V为负小，T为中温，则X为小(S)；
[0059] 6)若V为负小，T为较高温，则X为0；
[0060] 7)若V为负大，T为较低温，则X为大(L)；
[0061] 8)若V为负大，T为中温，则X为大(L)；
[0062] 9)若V为负大，T为较高温，则X为中(M)；
[0063] 表1为本发明实施例提供的模糊控制规则表
[0064]
[0065]
[0066] 在判断出燃料电池电堆内部结冰可能性之后，模糊控制器16控制三通阀a2、b10的开关，在X为0时关闭整个氧气循环回路；在X为小的情况下开启回路，并且控制循环气泵9转速n处于较低的转速，并根据电压监测装置5监测的电压和温度传感器7检测的温度实时更改转速，当符合模糊规则中X可能性为0时关闭电动循环气泵9和三通阀b10位于氧气循环回路中的阀口并打开与排气口方向的阀口，关闭三通阀a2在氧气循环回路的阀口；在X可能性为中时，控制循环气泵9转速n为中，并且结合实时数据适当加大转速n避免燃料电池电堆6内部情况再次恶化，直到电压监测装置5和燃料电池电堆6排水温度符合模糊规则中X为0时关闭整个氧气循环回路，同时关闭循环气泵9；当X可能性为大时，电动循环气泵9以最大转速n工作，以最快的的速度对燃料电池电堆6进行排水和热交换直到满足X为0的模糊规则。同时在开启电动循环气泵9后，水箱前的流量计11将统计进入水箱的排水量，通过模糊控制器16适当的加大进气时氧气的湿度避免燃料电池电堆6内部湿度不足导致燃料电池性能的下降从而影响对燃料电池电堆内部结冰的可能性。
[0067] 从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供一种避免燃料电池二次结冰冷启动失败的系统及控制方法，解决燃料电池低温冷启动电堆内部生成水二次结冰后导
致冷启动失败的问题，保证燃料电池低温冷启动成功的安全性，降低了冷启动突然停止对燃料电池的伤害，提高了燃料电池的寿命。
[0068] 在本
说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0069] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、
修改、替换和变型，本发明的范围由
权利要求及其等同物限定。
